太原市南中环快速路高架桥箱梁计算分析

唐 军

(太原市市政工程设计研究院，山西太原 030002)

1 工程概况

太原市环线道路建设工程——南中环工程(东环高速—西环高速)全长14.25km，平阳路—体育路段高架桥全长2 094.62 m，连续上跨南中环街与平阳路等三个道路交叉口，路口处均采用(36+56+36)m预应力混凝土连续梁，其余为4×28 m，4×29 m，3×30 m，4×30 m和3×35 m的等截面预应力混凝土连续梁，桥梁标准段宽度为23.5 m。在平阳路与长治路路口之间设置与主线平行的匝道桥(南侧、北侧各一处)，桥宽8.5 m，为3×30 m，4×30 m等截面预应力混凝土连续梁;在匝道桥与主桥相接处，主桥宽度由 41.5 m 过渡到 23.5 m，形式为(20.5+3×25+20.5)m等高等宽的钢筋混凝土连续梁。主线桥宽23.5 m的标准断面桥墩采用带横梁双立柱桥墩，匝道桥墩立柱采用单立柱形式，桥台采用薄壁桥台，墩台基础均为承台配桩基，主线和匝道桥台侧墙两侧接钢筋混凝土挡土墙。

上跨平阳路等三个路口采用的(36+56+36)m连续梁，为高架桥控制性工程，桥梁立面及断面如图1～图3所示。桥墩立柱形式均采用带横梁双立柱桥墩，且沿高度弧线变化。为确保桥梁结构安全，需对此连续梁桥上部箱梁结构进行纵、横向力学性能分析。

图1 连续梁桥立面图

图2 连续梁桥边墩断面图

图3 连续梁桥中墩断面图

2 技术标准

1)设计基准期:100年。2)设计行车速度:60km/h。3)设计荷载标准:城A级。4)桥梁净宽度:2×净10 m。5)桥面横坡:双向2%。

3 箱梁结构设计

3.1 箱梁基本构造

箱梁采用变截面单箱五室断面，箱梁顶宽度为23.3m，箱梁底宽度为14m，翼缘的悬臂长度值为2.5 m，箱梁通过顶底板形成横坡，全截面梁高一致。箱梁高度(裸梁)在全联端部及跨中均为2 m，在墩顶位置为3.3m，箱梁在25.5m长度内梁高按二次抛物线从2 m过渡到3.3 m。箱梁顶板厚度:梁端及墩顶处最大值为50cm，其余位置均为25cm。箱梁底板厚度:标准段厚度22cm，在25.5m长度内按二次抛物线从22cm过渡到80cm。箱梁腹板厚度:梁端及墩顶最大处为70cm，其余位置均为45cm。全联中心处设置一道30cm厚横隔板，且箱梁采用C50混凝土。

3.2 箱梁纵向钢束布置方式

箱梁按部分预应力混凝土结构进行设计，采用纵向预应力钢束、横梁预应力钢束相结合的形式。纵横向预应力均采用φS15.24mm预应力低松弛钢绞线，抗拉标准强度1 860MPa，弹性模量1.95×105MPa;且纵横向预应力钢束管道为塑料波纹管圆管成孔，并使用真空辅助压浆工艺。全联箱梁纵向预应力钢束共128束，顶板束为80束，底板束为24束，腹板束为24束。顶板处预留4个备用孔道，跨中底板预留2个备用孔道，边跨底板也各预留2个备用孔道。墩顶顶板钢束为24束12φS15.24钢绞线及8束3φS15.24的钢绞线，腹板钢束采用24束15φS15.24的钢绞线;中跨跨中底板处采用6束12φS15.24的钢绞线。箱梁纵向预应力钢束布置图见图4，钢束的控制张拉应力为0.75fpk。

3.3 箱梁横梁钢束布置方式

中横梁预应力钢束布置共设14束15φS15.24钢绞线，每排7束，布置图详见图5，钢束的控制张拉应力为0.75fpk。

图4 箱梁纵向预应力钢束半立面图

图5 中横梁横向预应力钢束立面图

4 连续梁上部结构计算

4.1 箱梁整体静力计算

计算相关参数取值方法:箱梁整体升温25℃，整体降温为30℃。同时，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的规定，对结构梯度温度进行相应取值。边跨桥墩支点处的不均匀沉降取12mm，主跨桥墩支点处取15mm计算。二期恒载按照铺装及护栏自重加载。全桥施工及运营阶段的静力计算是按桥梁博士V3.2.0进行计算，为验证合理性，采用MIDASCIVIL程序对结果进行复核。箱梁计算模型划分方法:单元86个，节点87个，且分为混凝土浇筑及钢束张拉、二期恒载加载、运营三个施工阶段进行计算。成桥运营计算工况:恒载、活载、整体升降温及梯度温度、支点沉降等。计算结果说明:箱梁在各个施工阶段，混凝土应力、钢束张拉控制应力可满足规范要求;基本组合时，所有单元抗弯承载力均大于相应弯矩设计值，承载力极限状态可满足设计要求;同时基本组合时，箱梁上缘位置混凝土最大压应力为10.1MPa(正值表示压应力，负值表示拉应力)，下缘位置混凝土最大压应力为8.5MPa，满足相关规范要求;短期效应组合时，箱梁上缘位置混凝土最小应力为-0.25MPa，下缘位置混凝土最小应力为-0.64MPa，可满足相关规范要求;当采用长期效应组合时，箱梁上缘位置混凝土最小应力为0.76MPa，下缘位置最小应力为0MPa，均可满足规范要求;在正常使用极限状态时，按规范要求消除结构自重产生的长期挠度，此时中跨跨中挠度为4mm，也可满足规范要求。综上所述，箱梁承载力极限状态强度验算结果、持久状况及短暂状态应力验算结果、正常使用极限状态抗裂与挠度验算结果均可以满足现行规范要求。

4.2 中横梁静力计算

计算参数相关参数取值方法:中横梁整体升温25℃，中横梁整体降温30℃。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的规定，对结构梯度温度进行相应取值。二期恒载按照铺装及护栏自重加载、由腹板传递过来的竖向剪力按照顶板与腹板分摊的形式加载至腹板位置。中横梁施工及运营阶段的静力计算按桥梁博士V3.2.0进行相关计算，计算模型划分方法:单元46个，节点47个，且分为混凝土浇筑及横向预应力钢束张拉、二期恒载加载、运营三个施工阶段进行相应计算。成桥运营计算工况:恒载、活载、整体升降温及梯度温度、支点沉降等。计算结果说明:中横梁在各个施工阶段，混凝土应力、钢束张拉控制应力可满足规范要求;基本组合时，所有单元抗弯承载力均大于相应弯矩设计值，承载力极限状态可以满足设计要求;同时基本组合时，横梁上缘位置混凝土最大压应力为9.4MPa(正值表示压应力，负值表示拉应力)，横梁下缘位置混凝土的最大压应力为11.1MPa，可以满足规范要求;当采用短期效应组合时，横梁上缘位置混凝土最小应力为4.7MPa，下缘位置为0.97MPa，可以满足规范要求;当采用长期效应组合时，横梁上缘位置混凝土最小应力为1.7MPa，下缘位置为0.42MPa，也可满足规范要求。总之，中横梁的承载力极限状态强度验算结果、持久状况及短暂状态应力验算结果以及正常使用极限状态抗裂均可满足现行规范要求。

5 结语

上跨平阳路等三个路口所采用的(36+56+36)m变截面预应力混凝土连续梁，为太原市南中环快速路高架桥的关键控制性工程;箱梁的纵向布束、中横梁针对其横向支座特点而布置的钢束计算，是该桥的设计难点。通过先进的计算分析手段，优化设计，可使结构尺寸合理、比例协调，外形优美、安全可靠。本文所采用的高架桥连续箱梁结构形式，可为同类桥梁的设计实施提供借鉴。

［1］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［3］CJJ 11-2011，城市桥梁设计规范［S］.

［4］石贵军.流架I号大桥设计［J］.中外公路，2010(5):29-31.